一、方案背景与目标

在物联网（IoT）快速发展的背景下，嵌入式设备与云端服务的无缝对接成为关键需求。本方案以STM32微控制器为核心，通过WIFI模块实现网络连接，利用MQTT协议完成轻量级数据传输，最终将数据存储至云MySQL数据库，形成“采集-传输-存储”的完整闭环。该方案适用于环境监测、工业控制、智能家居等场景，解决传统方案中数据延迟高、存储成本大、协议兼容性差等问题。

二、硬件与软件选型

1. STM32微控制器

• 型号选择：推荐STM32F4系列（如STM32F407），其主频达168MHz，支持浮点运算，适合复杂数据处理。
• 外设接口：需具备UART（与WIFI模块通信）、SPI/I2C（扩展传感器）、定时器（数据采集周期控制）等功能。
• 开发环境：使用STM32CubeIDE或Keil MDK，配置HAL库简化开发。

2. WIFI模块

• 模块选型：ESP8266（低成本）或ESP32（双核，支持BLE），通过AT指令或直接编程实现网络连接。
• 配置要点：
  • 设置为Station模式，连接至指定路由器。
  • 配置静态IP或DHCP自动获取，确保网络稳定性。
  • 示例代码（ESP8266 AT指令配置）：

    // 初始化WIFI连接
    void WIFI_Init() {
      UART_Send("AT+CWMODE=1\r\n"); // 设置为Station模式
      UART_Send("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"\r\n"); // 连接路由器
      UART_Send("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"MQTT_BROKER_IP\",1883\r\n"); // 连接MQTT代理
    }

3. MQTT协议

• 协议优势：轻量级、低带宽消耗、支持QoS（服务质量）等级，适合物联网场景。
• 客户端库选择：
  • Paho MQTT C库（嵌入式端）。
  • Mosquitto（服务器端，可选）。

• 关键配置：

  • Topic设计：按设备类型分层，如/device/sensor1/temperature。
  • QoS等级：根据数据重要性选择0（最多一次）、1（至少一次）或2（恰好一次）。

  • 示例代码（STM32端发布数据）：

    #include "MQTTClient.h"
    void MQTT_Publish(float temp) {
      MQTTClient client;
      MQTTClient_connectOptions conn_opts = MQTTClient_connectOptions_initializer;
      MQTTClient_message pubmsg = MQTTClient_message_initializer;
      MQTTClient_create(&client, "tcp://MQTT_BROKER_IP:1883", "STM32_Client");
      MQTTClient_connect(client, &conn_opts);
      char payload[50];
      sprintf(payload, "{\"temperature\":%.2f}", temp);
      pubmsg.payload = payload;
      pubmsg.payloadlen = strlen(payload);
      pubmsg.qos = 1;
      MQTTClient_publishMessage(client, "/device/sensor1/temperature", &pubmsg);
      MQTTClient_disconnect(client, 1000);
      MQTTClient_destroy(&client);
    }

三、云MySQL数据库设计

1. 数据库选型

• 云服务选择：阿里云RDS、腾讯云CDB或AWS RDS，支持高可用、自动备份。
• 表结构设计：

  CREATE TABLE sensor_data (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    device_id VARCHAR(50) NOT NULL,
    timestamp DATETIME DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
    temperature FLOAT,
    humidity FLOAT,
    INDEX (device_id, timestamp)
  );

2. 数据转存逻辑

• MQTT代理转存：通过MQTT代理（如EMQX）的规则引擎，将接收到的数据直接插入MySQL。
  • EMQX规则示例：

    INSERT INTO mysql://user:password@host:3306/db_name/sensor_data 
    SELECT payload.device_id AS device_id, 
           payload.timestamp AS timestamp, 
           payload.temperature AS temperature,
           payload.humidity AS humidity
    FROM "topic/filter"
    WHERE payload.temperature > 0;

• 独立服务转存：使用Python/Node.js编写中间服务，订阅MQTT Topic后写入MySQL。

  • Python示例（使用paho-mqtt和pymysql）：

    import paho.mqtt.client as mqtt
    import pymysql
    def on_message(client, userdata, msg):
        payload = json.loads(msg.payload)
        conn = pymysql.connect(host='MYSQL_HOST', user='user', password='password', db='db_name')
        cursor = conn.cursor()
        sql = "INSERT INTO sensor_data (device_id, temperature, humidity) VALUES (%s, %s, %s)"
        cursor.execute(sql, (payload['device_id'], payload['temperature'], payload['humidity']))
        conn.commit()
        conn.close()
    client = mqtt.Client()
    client.on_message = on_message
    client.connect("MQTT_BROKER_IP", 1883)
    client.subscribe("/device/+/data")
    client.loop_forever()

四、优化与安全

1. 性能优化

• 数据批量插入：减少数据库写入次数，如每10秒批量插入一次。
• 索引优化：为device_id和timestamp创建复合索引，加速查询。
• MQTT QoS选择：对关键数据使用QoS 1/2，非关键数据使用QoS 0。

2. 安全措施

• TLS加密：MQTT连接启用SSL/TLS，防止数据窃听。
• 数据库认证：使用强密码，限制IP访问权限。
• 设备鉴权：MQTT客户端使用用户名/密码或证书认证。

五、部署与调试

1. 部署步骤

1. 烧录STM32固件，配置WIFI和MQTT参数。
2. 启动MQTT代理（如EMQX）和MySQL服务。
3. 部署转存服务（可选）。
4. 监控日志（如tail -f /var/log/emqx/emqx.log）。

2. 常见问题

• WIFI连接失败：检查信号强度、路由器配置。
• MQTT断连：增加重连机制，设置心跳间隔（如60秒）。
• 数据丢失：启用MQTT持久化会话，数据库开启事务。

六、总结与扩展

本方案通过STM32+WIFI+MQTT+云MySQL的组合，实现了低功耗、高可靠的物联网数据上报与存储。未来可扩展以下方向：

1. 边缘计算：在STM32端增加数据预处理（如滤波、异常检测）。
2. 多协议支持：集成CoAP、HTTP等协议，适配不同设备。
3. 时序数据库：替换MySQL为InfluxDB，优化时序数据查询性能。

通过该方案，开发者可快速构建稳定的物联网系统，满足从原型设计到量产部署的全流程需求。